В.Б.Баранов, Московский государственный университетим. М.В. Ломоносова
Под гелиопаузой обычно понимают границу, отделяющуюсолнечный ветер от плазменной компоненты межзвездной среды. По определению,принятому в статье, именно гелиопауза считается границей Солнечной системы.Анализируются существующие методы определения структуры этой границы ирасстояния до нее.
Введение
Что мы понимаем под Солнечной системой? Маленькаяэнциклопедия “Физика космоса” [1, с. 61] дает следующее ее определение:“Солнечная система состоит из планет с их спутниками, астероидов (малыхпланет), комет, мелких метеорных тел, космической пыли и межпланетного газа.Происхождение, эволюция, законы движения всех этих тел неразрывно связаны сцентральным телом системы — Солнцем...” Принимая в основном такое определениеСолнечной системы, нам хотелось бы не так, как в энциклопедии, определить ееграницу.
Ниже будет рассматриваться только одна компонентаСолнечной системы, а именно межпланетный газ, или солнечный ветер, который сбольшой сверхзвуковой скоростью движется от Солнца. Солнечный ветерпредставляет собой поток полностью ионизованной водородной плазмы (газа,состоящего из протонов и электронов), имеющий в районе орбиты Земли средниескорость VE = 450 км/с, температуру TE = 105 K и плотность числа частиц nE = 10см- 3. Подробно о солнечном ветре можно прочитать в [2]. Возникают естественныевопросы: чем ограничен солнечный ветер, где он начинает взаимодействовать сокружающей его межзвездной средой, каков характер этого взаимодействия, накаком расстоянии от Солнца находится его граница? На часть этих вопросов ответможно найти в [3]. В частности, граница, разделяющая область, заполненнуюплазмой солнечного ветра и плазмой межзвездного происхождения, мы в [3] назвалигелиопаузой. Именно гелиопаузу в дальнейшем будем считать границей Солнечнойсистемы.
Когда автор настоящей статьи вместе со своимиколлегами опубликовали в 1970 году работу [4], в которой предлагаласьгазодинамическая модель взаимодействия солнечного ветра со сверхзвуковымпотоком межзвездного газа, они не представляли себе, что уже на следующий годизмерения рассеянного солнечного излучения на спутнике OGO-5 подтвердят наличиетакого сверхзвукового движения относительно Солнца, а запуск в середине 70-хгодов американских космических аппаратов (КА) “Вояджер 1 и 2”и “Пионер 10 и 11,основной целью которых является исследование внешних областей Солнечнойсистемы, сделает эту модель особенно актуальной. Авторами работы [4] руководилолишь чувство неудовлетворенности математическим решением для солнечного ветра,полученным Е. Паркером (см. в [2]). Из этого решения следовало, что за орбитойЗемли солнечный ветер движется с постоянной сверхзвуковой скоростью вплоть добесконечности. Последнее противоречило физической реальности, посколькуокружающая межзвездная среда не является вакуумом, а заполнена газом с конечнымдавлением. Следовательно, солнечный ветер должен тормозиться на межзвезднойсреде, а его скорость не может быть до бесконечности постоянной. Приняв вовнимание, что Солнце движется относительно ближайших звезд со скоростью 20км/с, и предположив, что межзвездный газ движется относительно Солнца с той жескоростью, авторы работы [4] и построили свою модель, “сшив” решение Е. Паркерас решением для поступательного, сверхзвукового потока межзвездного газа (болееподробно об этой модели см. в [3]).
С тех пор прошло более 25 лет. Все это время ни наминуту не ослабевала наша работа над усовершенствованием предложенной в 1970году модели, что, как надеюсь, позволило нам сохранить лидерство в этой областинаучных исследований. Мы включали в нее все новые и новые физические явления,добивались все большей точности и корректности расчетов. Особенно насвдохновляло то обстоятельство, что энергетического ресурса измерительныхприборов, установленных на космических аппаратах “Вояджер” и “Пионер”,достаточно, чтобы передавать научную информацию вплоть до 2010 года. Внастоящее время эти аппараты, находясь на расстояниях в несколько десятковастрономических единиц (одна астрономическая единица (а.е.) равна расстоянию отЗемли до Солнца), приближаются к границе Солнечной системы. При этом они ужедавно вышли за пределы орбит всех планет Солнечной системы. На рис. 1а,изображены проекции на плоскость эклиптики траекторий космических аппаратов“Вояджер 1 и 2” и “Пионер 10 и 11” вплоть до 2000 года (межзвездный газдвижется относительно Солнечной системы слева направо), а на рис. 1б, — их гелиографическаяширота. Все аппараты, кроме “Пионера 10”, удаляются от Солнца в сторону набегающего потока межзвездной среды (подветренная сторона). “Пионер 10” движется в “хвост” гелиосферы. Эти аппараты удаляются от Солнца в среднем со скоростью 2-3 а.е. вгод. Это означает, что, находясь в настоящее время на гелиоцентрическихрасстояниях в несколько десятков астрономических единиц, к 2010 году они будутпередавать информацию с расстояний более сотни астрономических единиц, то естьс тех расстояний, на которых, как предсказывает описанная в [3] модель,наиболее сильно проявляются эффекты взаимодействия солнечного ветра смежзвездным газом. К сожалению, запуск в конце 90-х годов в СШАспециализированного космического аппарата под названием “Межзвездный зонд” (обэтом зонде шла речь в [3]), основной целью которого как раз и являетсяисследование таких удаленных областей околосолнечного космическогопространства, отложен на более поздний срок.
/>/> Рис. 1. а — траектории космических аппаратов “Вояджер” и “Пионер” в проекции на плоскость эклиптики, б — их гелиографическая широта
Мы проанализируем экспериментальные методы, при помощикоторых предпринимаются попытки определить расстояние до гелиопаузы, то есть дограницы Солнечной системы в соответствии с определением, данным выше. Но сначаларазъясним некоторые физические понятия, которые были введены в статье [3].
Каков характервзаимодействия солнечного ветра с межзвездным газом
Согласно модели взаимодействия солнечного ветра смежзвездным газом, изложенной в [3], картина взаимодействия имеет вид,качественно представленный на рис. 2. Солнечный ветер, имеющий, как былоотмечено, уже на орбите Земли большую сверхзвуковую скорость, наталкивается насверхзвуковой поток межзвездного газа, движущийся относительно Солнца соскоростью />= 25 км/с (при температуре межзвездного газа />=8000 К число Маха, которое определяется как отношение скорости газа к скоростизвука, равно />= 2). Ваэромеханике известно, что затормозить сверхзвуковой поток газа до дозвуковыхскоростей невозможно без образования в этом потоке ударной волны, то естьповерхности, на которой скорость резко падает, а температура резко возрастает(ускорить же поток газа от дозвуковой скорости к сверхзвуковой без скачка параметроввозможно, например, в сопле Лаваля, см. [2]). Отсюда следует, что пристолкновении сверхзвукового потока газа от точечного источника (Солнце) сосверхзвуковым плоскопараллельным потоком (межзвездный газ) должны возникнутьчетыре сильно различающиеся по своим параметрам области течения: область I,заполненная обычным солнечным ветром; область II, ограниченная ударной волнойTS (от англ. termination shock), которая образуется в солнечном ветре при еготорможении на межзвездном газе, и поверхностью HP (от англ. heliopause),которая отделяет солнечный ветер, разогретый и заторможенный в ударной волнеTS, от газа межзвездной среды; область III между гелиопаузой HP и головнойударной волной BS (от англ. bow shock), которая образуется в результатеторможения межзвездного газа на солнечном ветре, и область IV, заполненнаясверхзвуковым потоком межзвездной среды, не прошедшим через ударную волну BS.
/>/> Рис. 2. Общая картина взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой. BS — головная ударная волна, НР — гелиопауза или граница Солнечной системы, TS — ударная волна в солнечном ветре, Hмс — атомы водорода, проникающие в солнечный ветер из межзвездной среды, Hсв — атомы водорода, возникшие после перезарядки Hмс на протонах солнечного ветра
Чтобы пояснить образование, например, головной ударнойволны BS, представим себе сверхзвуковой самолет, летящий в воздухе. Сидя вкабине такого самолета мы окажемся в том положении, когда воздух будет обтекатькорпус самолета со сверхзвуковой скоростью. Летчики знают, что перед такимсамолетом обязательно образуется ударная волна, в которой воздух резко (скачкомпараметров) тормозится и сильно разогревается (по этой причине часто приходитсядаже наносить специальные теплозащитные покрытия на корпус самолета). Аналогомкорпуса такого самолета является гелиопауза HP, которая и обтекаетсясверхзвуковым потоком газа межзвездной среды (только вместо твердогопрепятствия этот газ наталкивается на солнечный ветер).
Поскольку теоретическая гидроаэромеханика имеет дело смодельным представлением газа как сплошной среды, то два потока таких газов(области I и IV ) не могут проникнуть друг в друга. Граница их раздела как рази есть гелиопауза, которая, по терминологии гидроаэромеханики, являетсятангенциальным разрывом. Именно гелиопаузу мы и будем считать границейСолнечной системы, поскольку поток газа, истекающий из Солнца, не может выйтиза эту границу, то есть заполняет только области I и II на рис. 2.
Как было описано в [3], нейтральные частицы (атомыводорода Н, гелия Не, кислорода О и др.) представляют собой газ, движениекоторого не может быть описано в рамках модели сплошной среды. Именно поэтомутакие частицы могут проникать из межзвездной среды в Солнечную систему, в тойили иной степени взаимодействуя с плазменной компонентой, структура течениякоторой представлена на рис. 2. Таким образом, нейтральные частицы межзвездногопроисхождения могут пересекать поверхности BS, HP, TS и проникать в Солнечнуюсистему, где и обнаруживаются при помощи космических аппаратов (методы ихрегистрации будут изложены ниже). Их траектории на рис. 2 изображены штриховой линией.
Нейтральные атомы и молекулы, проникая из межзвезднойсреды в Солнечную систему, подвергаются влиянию различных физических процессов:фотоионизации солнечным излучением, процессам перезарядки (см. [2]) спротонами, ударной ионизации вследствие столкновений с электронами и т.п. Наних также действуют сила гравитационного притяжения Солнца и сила солнечногорадиационного давления (сила отталкивания). Поэтому нейтральные частицымежзвездного происхождения претерпевают существенные изменения по мере их вторженияв Солнечную систему. Последнее обстоятельство наводит на мысль, что возможнокосвенное определение местоположения гелиопаузы (границы Солнечной системы) порегистрации таких изменений. В частности, атомы водорода весьма эффективновзаимодействуют с плазменной компонентой через посредство их перезарядки спротонами, в то время как взаимодействие атомов Не с протонами пренебрежимомало. Это означает, что атомы гелия, вторгаясь в Солнечную систему, почти неизменяют свои параметры (например, температуру и плотность), а параметры атомовводорода должны быть подвергнуты существенным изменениям. Например, областьмежду BS и HР на рис. 2 должна быть своеобразным фильтром, уменьшающимплотность атомов водорода, входящих в Солнечную систему. Сравнивая параметрысоответствующего элемента, измеряемые путем астрономических наблюдений вмежзвездной среде, с аналогичными измеряемыми параметрами в Солнечной системе,можно судить о физическом механизме изменения этих параметров. Интересно, чтоатомы кислорода также довольно эффективно взаимодействуют с плазменнойструктурой и так же, как и водород, подвергаются сильному ее влиянию при своемдвижении из межзвездной среды.
Наши расчеты показывают, что ударная волна TS всолнечном ветре и гелиопауза HP отстоят от Солнца в подветренной стороне нарасстояниях примерно 90 и 120 а.е. соответственно. При этом расстояние доударной волны TS на противоположной стороне от Солнца примерно в два разабольше, а гелиопауза вообще отсутствует, то есть в области за Солнцем нет четкойграницы, отделяющей солнечный ветер от межзвездной плазмы.
/>Возможныеметоды наблюдения границы солнечной системы
Методы экспериментального изучения характеристикобласти сильного взаимодействия солнечного ветра и межзвездной среды можноусловно разделить на две группы: (а) косвенные измерения параметров течения,для интерпретации которых требуется привлечение какой-либо реальнойтеоретической модели, и (б) прямые их измерения, как, например,непосредственное измерение скачка параметров плазмы в ударной волне TS. Дляреализации прямых измерений космическому аппарату требуется непосредственнодостичь тех областей, выявление физических особенностей которых представляетнаучный интерес. К таким относятся области II и III на рис. 2, и, как видно изрис. 1, космические аппараты могут достичь их только в следующем столетии. Темне менее уже сейчас прямые измерения скорости солнечного ветра в области I нааппаратах “Вояджер” и “Пионер” указывают на его замедление и разогрев сувеличением гелиоцентрического расстояния. Эти эффекты предсказывались ранеетеоретически и объяснялись как следствие воздействия на солнечный ветерпротонов, образовавшихся в результате перезарядки атомов Н, движущихся измежзвездной среды, на протонах солнечного ветра.
Однако до сих пор наибольшую информацию о характеревзаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой дали косвенные измерения,которые удобны тем, что можно судить о физических процессах в областях, сильноудаленных от места измерения. Например, можно многое сказать об областиперехода от солнечного ветра к межзвездной среде, проводя измерения на 1 а.е. Вкачестве иллюстрации можно отметить, что начиная с 1971 года эксперименты порассеянному солнечному излучению, проводившиеся на космических аппаратах OGO-5,“Венера”, “Марс” и др., показали, что из межзвездной среды в солнечный ветерпроникают атомы водорода и гелия (для длин волн в 1216 и 584 A соответственно), вектор скорости которых находится почти в плоскости эклиптики и равен повеличине 20-25 км/с, а их температура порядка 8000-10 000 К (сверхзвуковоетечение). Концентрации атомов Н и Не в межзвездной среде из этих экспериментовоценивались как n(H) = 0, 05 см- 3, n(He) = 0, 01 см- 3 соответственно.
В чем заключается принцип таких измерений? Вчастности, атомы водорода, движущиеся из межзвездной среды, рассеиваютсолнечное излучение на длине волны 1216 A (1 A = 10- 8 см). Это рассеянное излучение можно детектировать прибором, установленным на борту космическогоаппарата, вышедшего за пределы земной атмосферы, например на борту спутникаЗемли. На
/>/> Рис. 3.Принципиальная схема измерений рассеянного солнечного излучения прибором, установленным на борту спутника Земли. Стрелка указывает направление движения атомов межзвездной среды, которые проникают в Солнечную систему. Белый квадратик указывает на плоскость, в которой вращается прибор, установленный для измерений, VS — вектор скорости Земли, 1-5 — положения прибора в пяти сеансах
Интересно, что астрофизические оценки космическогосодержания гелия по отношению к водороду дают величину n(He) / n(H)/>0, 1, а измеряемое по рассеянному солнечному излучению то же отношение вСолнечной системе дает величину существенно большую. Естественно, чтоинтерпретация полученного расхождения давала повод для размышления. Сомнениябыли мгновенно рассеяны после того, как в работах Макса Уоллиса(Кардифф-колледж) и автора этих строк с сотрудниками было показано, что областьIII на рис. 2 играет важную роль (роль своеобразного “фильтра”) в проникновениинекоторых атомов, и в частности атомов водорода, из межзвездной среды вСолнечную систему, и не учитывалась при первых интерпретациях рассеянногосолнечного излучения. Этот “фильтр” важен для атомов Н вследствие большойэффективности их перезарядки с протонами (подробнее см. в [3]) и практически невлияет на движение атомов гелия, поскольку эффективность перезарядки атомов Немного меньше. Это и приводит к увеличенному отношению n(He) / n(H) в Солнечнойсистеме. Таким образом, удается косвенным образом подтвердить наличие областиIII, где взаимодействие солнечного ветра с межзвездной средой проявляетсянаиболее сильно. Тот же эффект, но другими методами был недавно подтвержденизмерениями на уникальном космическом аппарате “Улисс”, запущенном Европейскимкосмическим агентством в октябре 1990 года для проведения экспериментов внеплоскости солнечной эклиптики. Здесь надо отметить, что область II в принципетакже является “фильтром” для атомов Н вследствие их перезарядки с протонамисолнечного ветра. Однако этот “фильтр” малоэффективен из-за того, чтоконцентрация протонов в этой области существенно меньше концентрации протоновмежзвездной среды в области III.
На борту космических станций “Вояджер” такжепроводятся измерения рассеянного солнечного лайман-альфа-излучения. Результатыэтих измерений невозможно было объяснить на основе теории, не учитывающейплазменную компоненту межзвездной среды: оказывается, что интенсивностьизмеренного излучения падает с удалением от Солнца существенно медленнее, чемпредсказывается этой теорией. Открытый теоретически в работе [5] эффектнемонотонного изменения концентрации атомов водорода вблизи границы Солнечнойсистемы, то есть вблизи гелиопаузы, позволил объяснить это явление. На рис. 4показано распределение с подветренной стороны безразмерной плотности атомов Н,движущихся из межзвездной среды в Солнечную систему. Чтобы получить размернуюплотность (в см- 3), надо умножить на 0, 14. Максимум этого распределения,получивший название водородной стенки, и является своеобразной характеристикойграницы Cолнечной системы, а рассеяние на ней солнечного излучения дает эффектболее медленного убывания интенсивности лайман-альфа-излучения, измеряемого на“Вояджерах”. Интересно отметить, что спектры поглощения излучения в линии 1216 A, полученные на HST (Hubble Space Telescop) учеными из Боулдерского университета (США), привелик выводу о том, что объяснение результатов эксперимента возможно только припривлечении эффекта водородной стенки (водородная стенка дает дополнительнуюлинию поглощения в полученных спектрах). Этим самым ученые из Боулдерскогоуниверситета, проводившие эти измерения, заявили об экспериментальномподтверждении наличия водородной стенки вблизи границы Солнечной системы.
/>/> Рис. 4.Рассчитанное теоретически распределение с подветренной стороны плотности атомов Н, движущихся из межзвездной среды. Пик этого распределения, находящийся вблизи гелиопаузы, положение которой отмечено через НР, назван водородной стенкой
Год назад российская телевизионная программа “Время”неожиданно объявила о том, что американскими учеными обнаружена границаСолнечной системы, расстояние до которой оценивалось в 120-150 а.е. Как частодоверчивый слушатель принимает разного рода недостоверные сведения за истину впоследней инстанции! Нам, естественно, тоже хотелось поверить в это сообщение,поскольку наши оценки размеров Солнечной системы совпадали с сообщенными впрограмме “Время” (расстояние до гелиопаузы оценивалось в 120 а.е.). Однакооказалось, что это сильное утверждение было связано с измерениями на аппаратах“Вояджер” низкочастотного радиоизлучения вблизи 2 кГц. Одна из егоинтерпретаций привела к выводу о том, что колебание измеряемого электрическогополя с такой частотой может быть следствием идущего от гелиопаузы сигнала,который возникает из-за ее взаимодействия с возмущениями, проникающими сюда изсолнечного ветра. Зная скорость распространения этого сигнала и время егопрохождения, можно определить расстояние до гелиопаузы НР, то есть расстояниедо границы Солнечной системы. Ясно, что эта оценка сильно зависит от моделитечения, носит весьма косвенный характер и не является вполне достоверной, хотяпричина возникновения самого сигнала может быть рассмотрена как разумнаягипотеза.
Большие надежды в экспериментальном плане возлагаютсяна прямые измерения плазменных параметров на космических аппаратах “Вояджер 1 и 2” и “Пионер 10 и 11”. В частности, имеется надежда, что в недалеком будущемнекоторые из них смогут пересечь ударную волну в солнечном ветре TS (аппарат“Пионер 10” удаляется от Солнца вдоль вектора скорости межзвездного газа, тоесть он находится в хвосте гелиосферы, где расстояние до TS в два раза больше,чем в подветренной стороне). Что касается косвенных измерений, то наши надеждысвязываются с проводимым в настоящее время французскими учеными экспериментомSWAN по рассеянному солнечному излучению, на борту спутника SOHO, запущенного вконце прошлого года, и с экспериментами на борту космического аппарата “Улисс”,о котором шла речь в статье [2].
/>Заключение
Мы видели, что теоретическая модель строениягелиосферы, ограниченной гелиопаузой, приводит к оценке размера Cолнечнойсистемы в сотню и более астрономических единиц. Однако модельные представлениятребуют все новых экспериментальных подтверждений. При этом наиболееинтересными для физики рассмотренного в нашей статье явления окажутсярасхождения, которые, очевидно, появятся при сравнении предсказаний теории срезультатами экспериментов. Усовершенствование теоретической модели путемвведения в нее новых физических компонент, таких, например, как межпланетное имежзвездное магнитные поля, галактическая и аномальная составляющие космическихлучей и т.п., поможет выявить новые физические явления и устранить возможныерасхождения. Предстоит еще исследовать влияние солнечной активности наструктуру гелиосферы и проникновение различных атомов и молекул из межзвезднойсреды в Солнечную систему. Последняя проблема может иметь и прикладноезначение, поскольку вполне возможно, что испарение некоторых элементов изатмосфер планет, включая нашу Землю, восполняется за счет их притока измежзвездной среды.
В настоящий момент под влиянием все новыхэкспериментальных данных наша группа активно работает над усовершенствованиеммодели, первый вариант которой предложен еще в 1970 году в работе [4].
Список литературы
/> [1]. Физика космоса. М.: Сов.энциклопедия, 1976.
/>[2]. Баранов В.Б. Что такоесолнечный ветер (см) // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. No 12. С.81-86.
/>[3]. Баранов В.Б., КраснобаевК.В., Куликовский А.Г. Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвезднойсредой // Докл. АН СССР. 1970. Т. 194, вып. 1. С. 41-44.
/>[4]. Баранов В.Б., КраснобаевК.В., Куликовский А.Г. Модель взаимодействия солнечного ветра с межзвезднойсредой // Докл. АН СССР.1970. Т. 194, вып. 1. С. 41-44.
/>[5]. Baranov V.B.,Lebedev M.G., Malama Yu.G. The Influence of the Interface between theHeliosphere and the Local Interstellar Medium on the Penetration of the H-atomsto the Solar System // Astrophys. J.1991. Vol. 375. P. 347-351.
Для подготовки данной работы были использованыматериалы с сайта www.kosmofizika.ru